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유쾌하다! 수식이 없다! 어렵지 않다! 경이롭다!
50년 전 인기 물리학 명저를 타임슬립하듯 만나다

그 어렵다던 상대성 이론과 양자 역학이 귀에 쏙쏙 들어온다면? 우주의 수수께끼와 먼지 속 미시 세계가 마치 만화처럼 내 머릿속에 그려진다면? 어렵고 딱딱한 수식 없이, 기발한 발상과 유쾌한 비유로 물리학의 최고 이론들을 알기 쉽게 서술한다. 다수의 재미있는 일러스트가 내용의 포인트를 잘 짚어주며 독자의 상상력을 한껏 자극한다.
이 책이 첫 출간된 건 1963년이다. 당시에도 폭넓은 독자들에게 많은 사랑을 받기도 했지만 지금 읽어도 손색이 없을 만큼 친절하고 일상적인 사례와 재치 있는 설명이 매력적이다. 고단샤 과학출판상을 수상한 쓰쿠바대학교 교수 오스가 겐이 감수를 맡아 꼼꼼하게 검토해 각주를 달았다.
책에 소개된 연구 성과는 모두 노벨상을 받은 것들이다. 아인슈타인의 상대성 원리, 하이젠베르크의 불확정성 원리, 드브로이의 물질파, 윌슨의 안개상자, 글레이저의 거품상자, 러더퍼드의 원자핵, 앤더슨의 양전자, 유카와 히데키의 파이 중간자…. 이 책을 통해 현대 물리학의 빛나는 결실을 그야말로 한눈에 감상할 수 있다.

유쾌하다! 수식이 없다! 어렵지 않다! 경이롭다!
일상에서 우주의 원리가 보이는 나의 첫 물리학

먼지 한 톨에도 하나의 우주가 있다? 1층에 사는 사람이 4층에 사는 사람보다 오래 산다?
1미터의 막대기가 10미터의 막대기가 될 수 있다? 지구 밖 우주인이 보낸 전파를 탐지할 수 있다?
도대체 이해되지 않는 뚱딴지같은 소리들이 가득한 곳이 바로 물리학의 세계다. 너무 광활해서 수수께끼 같은 우주. 반대로 너무 작아서 육안으로는 절대 보지 못하는 소립자의 세계. 이 극한의 물질세계를 기꺼이 탐구하는 것이 물리학이므로, 물리학은 늘 어렵고 이론적인 먼 나라 얘기로만 느껴지곤 한다.
하지만 그 어렵다던 상대성 이론과 양자 역학이 귀에 쏙쏙 들어온다면 어떨까? 우주의 수수께끼와 먼지 속 미시 세계가 마치 만화처럼 내 머릿속에 그려진다면?
이 책은 어렵고 딱딱한 수식 없이 일상에서 끄집어낸 기발한 발상과 비유로 물리학의 최고 이론들을 알기 쉽게 서술한다. 특수 상대성 이론을 들면서 같은 막대기라도 측정하는 사람에 따라 그 길이가 달라지고, 걷는 사람의 손목시계가 가만히 있는 사람의 손목시계보다 더 느리게 간다고 설명한다. 또 만유인력에 의한 시간 지연으로 위층일수록 시간이 빨리 흐르기 때문에 1층 사람이 4층 사람보다 오래 산다는 재미난 비유를 곁들이기도 한다.
저자는 독자의 이해를 돕기 위해 최대한 친근하고 일상적인 사례를 활용한다. 이 책을 읽고 나면 우주, 별, 빛, 원자, 광속도, 진공 등 평소에는 잘 느끼지 못하던 존재들이 어느새 우리의 바로 곁, 친숙한 일상으로 다가왔음을 느끼게 될 것이다.
중간중간 등장하는 다수의 재미있는 일러스트는 내용의 포인트를 잘 짚어주며 우리의 상상력을 한껏 자극한다. 특히 물리학과 가까워지고 싶은 물리 초보자라면 쉽고 유쾌하면서 알차기까지 한 이 책을 인생의 첫 물리학 길잡이로 활용해보길 바란다.

현대 물리학의 빛나는 성과들을 한눈에!
50년 전 인기 물리학 명저를 타임슬립하듯 만나다

이 책의 초판이 발행된 해는 1963년이다. 첫 출간 당시 엄청난 베스트셀러로 증쇄를 거듭했던 이 책은 청소년이 읽어도 무리 없을 만큼 쉽고 재미있는 서술로 폭넓은 독자층의 사랑을 받았다.
저자가 이 책을 집필할 당시는 현대 물리학의 기초라 할 수 있는 아인슈타인의 상대성 이론과 베르너 하이젠베르크의 불확정성 원리가 세상에 나온 지 불과 30년에서 50년밖에 되지 않았을 때였다. 즉 오늘날까지 결실을 맺은 과학적 대발견들의 씨앗이 뿌려진 물리학의 황금시대라 할 수 있다.
그래서일까. 이 책은 이런 물리학의 황금기를 만끽하며 글을 썼을 저자의 가슴 설레고 생기 넘치는 모습을 절로 연상시킨다. 아마도 저자가 물리학의 진보를 실시간으로 만나는 재미에 흠뻑 취해 글을 써 내려갔기 때문일 것이다.
이 책은 현대 물리학의 기초가 된 상대성 원리와 불확정성 원리를 비롯해 전 세계 천재들의 발명과 발견을 가득 소개한다. 루이 드브로이의 물질파, 찰스 윌슨의 안개상자, 도널드 글레이저의 거품상자, 어니스트 러더퍼드의 원자핵, 칼 앤더슨의 양전자, 유카와 히데키의 파이 중간자…. 여기에 소개된 연구 성과는 모두 노벨상을 받은 것들이다. 우리는 이 책을 통해 현대 물리학의 빛나는 성과들을 그야말로 한눈에 감상할 수 있다. 그것도 아주 쉽고 유쾌하게 말이다!
저자는 비록 오래전에 세상을 떠났지만 그의 책은 반세기를 훌쩍 넘어 현대적 감각과 지식으로 재무장해 이번에 다시 출간됐다. 고단샤 과학출판상을 수상한 쓰쿠바대학교 교수 오스가 겐이 저자의 빈자리를 채우며 감수를 맡았다. 현시점에서 낡아 보이는 내용은 세심하게 검토해 각주를 달았다.
여전히 유쾌한 지식이 살아 숨쉬는 20세기의 글과 21세기의 현대적 감각이 만났다. 이 수십 년의 간극에서 우리는 신기하게도 그간의 세월 동안 또 물리학이 얼마큼 성큼성큼 걸어갔는지를 피부로 느끼게 될 것이다.

물리학은 ‘상식’과 ‘편견’을 버리는 용기가 필요하다
뚱딴지같은 이론이 우주의 진리일 수 있으므로!
그리고 우리 인생도 마찬가지다

이 책에 펼쳐진 물리학의 진보는 인간 두뇌의 위대함을 제대로 보여준다. 두뇌를 작동시키는 가장 중요한 동력은 아마도 상상력일 것이다. 아인슈타인도 “지식보다 상상력이 훨씬 중요하다”고 말하지 않았는가.
물리학을 공부하는 즐거움은 아마도 상식과 편견이 깨지는 순간을 체험하는 데 있을 것이다. 특수 상대성 이론도 처음엔 너무 터무니없다고 여겨져 아인슈타인은 이 이론으로는 노벨상을 받지 못했다. 저자는 물리학을 공부할 때 먼저 상식과 편견을 버릴 것을 권한다. 아무리 쉽게 설명해도 상식과 편견에 사로잡힌 사고로는 물리학을 이해할 수 없기 때문이다.
이 책을 통해 천재적인 물리학자들의 이론을 하나씩 알게 되면서 우리는 스스로 얼마나 자기중심적 상식에 사로잡혀 사는지, 이 우주가 얼마나 비상식적인 법칙으로 움직이는지 여실히 깨닫게 될 것이다. 감수자 오스가 겐도 이해할 수 없는 것을 기꺼이 즐기라고 말한다. 어쩌면 물리학의 진짜 매력은 여기에 있는 것이 아닐까?
책 말미에서 저자는 뭔가 최상의 아이디어가 떠올랐다면 계속 상상력을 펼치면 더 좋은 아이디어가 떠오를 거라고 말한다. 그리고 생각만 하면 안 되고 실험이나 실천을 해보라고 말한다. 만약 실패하더라도 실패 원인을 냉정하게 바라보는 용기를 가지라고 조언한다. 그 실패의 이면에 숨어 있을 성공의 싹을 발견하려고 노력하라는 것이다. 물리학을 뛰어넘어 우리 인생 전반에 적용할 만한 교훈이다. 물리학이 이처럼 우리 삶과 긴밀히 연결되어 있음을 말해준다.

| 감수자의 글 | 물리학도 재미있을 수 있다!_ 오스가 겐

Part 1 | 물리학, 최첨단의 날개를 달고서

인간의 어떤 상상도 뛰어넘는 기묘한 물리학 세계
인간의 지식욕은 끝이 없다 l 큰 괴물 거북이나 코끼리가 지구를 떠받친다고? l
뉴턴도 우물 안 개구리였다 l 자연의 흥미로움과 신비를 알려주는 현대 물리학 l
새로운 이론은 늘 상식을 벗어난다

우주에는 끝이 있을까?
“우주는 휘어 있다”, 아인슈타인의 우주론 l ‘휘어짐이 마이너스인 면’은 말의 안
장 모양이다 l 우리에게는 공간의 휘어짐이 보이지 않는다 l 앞을 보면 자신의 뒤
통수가 보이는 불가사의한 공간 l 은하계가 한 번 회전하려면 2억 년이 걸린다 l
우주 전체의 별의 개수는 1조의 1,000억 배 l 아인슈타인의 예상을 뒤엎은 실측
결과

우주는 팽창하고 있다
20억 광년 떨어진 성운도 망원경으로 볼 수 있다 l 우주의 나이는 250억 살, 크기
는 반지름이 50억 광년 l 우주 바깥에는 물질도 공간도 없다

Part 2 | 미시 세계는 상식을 파괴한다

물질의 최소 단위는 무엇일까?
먼지 한 톨에도 하나의 우주가 있다 l 전기력을 이용하면 원자도 두 부분으로 나
눌 수 있다 l 1세제곱센티미터 상자에 원자핵을 채우면 1억 톤이나 된다 l 원자의
성질은 전자가 결정한다

미시 세계의 불가사의
이중인격의 괴물, 소립자 l 수면 위 기름의 반사로 빛이 파동임을 알 수 있다 l 소
립자의 크기는 1조분의 1밀리미터 l ‘빛은 파동’이라는 확신이 무너지다 l “빛은
입자다”, 아인슈타인의 광양자설 l “열려라, 참깨!”의 현대판, 자동문 l 빛, 마
침내 ‘소립자 클럽’에 가입하다

얼마나 작은 것까지 보일까?
미시 세계를 들여다보는 방법 l 광학 현미경의 한계 l 물리학 역사상 최대 발견 중
하나, 드브로이의 물질파 l 미시 세계의 벽을 부순 전자 현미경 l 전자 현미경으
로도 보이지 않는 기묘한 원자의 구조 l 만일 전자 현미경으로 원자 내부를 본다
면 l 핵외 전자는 유령처럼 운동한다

Part 3 | 물리학은 자연의 본질을 해명했다

단념은 포기가 아니다
알 수 있을까, 알 수 없을까? 그것이 문제로다 l 보는 것만으로 물체의 운동에 변
화가 일어나다 l ‘단념’은 ‘창조’의 모체

위치와 속도의 새로운 관점, ‘불확정성 이론’
우리가 더 이상 정확히 알 수 없다는 한계 l 왜 소립자는 파동의 모습으로 나타날
까? l 전자는 구름 덩어리를 만든다 l 하나의 전자는 두 곳 이상의 장소에 동시에
존재한다 l 야구공에도 파장이 있다

자연의 안정을 지키는 플랑크 상수
양자 역학이 어려운 학생은 ‘h’에 약한 학생 l 발표 당시 누구도 알아주지 않았던
플랑크의 발견 l 별, 지구, 인간 모두 플랑크 상수 덕분에 존재한다 l 유카와 박사
만 껄껄 웃어대던 ‘일부다처제’

Part 4 | 우주의 수수께끼를 푸는 소립자의 활약

별은 영원히 빛날까?
우주는 소립자에서 시작되었다 l 납보다 무거운 수소 가스의 형성 l 수소 가스의
핵융합 반응으로 별이 태어나다 l 매초 약 6억 6,000만 톤의 수소를 태우는 태양
l 70억 년 뒤에는 별도 태양도 완전히 타버린다

우주의 방랑자들
우주선의 고에너지를 전력으로 바꾸면? l 우주선은 신성, 초신성의 폭발로 발생
한다 l 우주의 거대한 자기장의 작용, ‘페르미 가속’ l 우주선이 우주선이 될 때
까지는 수천만 년이나 걸린다 l 우주의 신비를 푸는 중성미자

Part 5 | 시간이 느려지고 공간이 줄어드는 세계

빛은 진공 속을 전파한다
우리의 몸은 매분 약 100개의 뮤 중간자가 관통한다 l 준광속도 로켓이라면 50
년 동안 2,500광년을 날 수 있다 l 물체의 속도란 무엇인가 l 아무리 빨라도 빛을
따라잡을 수는 없다

절대성의 부정, ‘특수 상대성 이론’
1미터의 막대기는 10미터의 막대기이기도 하다 l 속도가 높아지면 물체는 수축
하고, 증가하며, 지연된다 l 준광속도 로켓 내부의 50년은 지구상의 2,500년 l
걷는 사람의 시계는 느리게 간다, 뫼스바우어의 실험 결과 l 전자가 광속도로 날
면 지구보다 무거워진다

지구 인력에 의한 시간 지연
창시자 아인슈타인도 이해할 수 없었던 ‘일반 상대성 이론’ l 우주 정거장은 상대
성 이론의 실험실 l 만유인력은 공간을 휘게 한다 l 뉴턴이 설명할 수 없었던 천체
현상의 수수께끼 l 1층에 사는 사람이 4층에 사는 사람보다 오래 산다

우주의 신비
우라시마 타로보다 고독한 사람들 l 두께 1미터의 납 벽을 뚫는 수소 원자 l 우주
에는 고등 생물이 존재한다 l 생명의 기원은 방사선일까? l 우주인이 발신하는
전파를 탐지하는 미국의 오즈마 계획

Part 6 | 물질 세계의 끝을 찾아서

전자 현미경으로도 보이지 않는 것을 알아내는 방법
물질의 궁극에는 무엇이 있을까? l 미스 인터내셔널을 전자계산기로 결정한다?
l TV 속에도 전자 가속기가 있다 l 길이 2마일의 기계로 미시 소립자를 조사하다

미시 세계에 존재하는 거대한 힘
유카와 박사의 예언은 적중했다 l 원자폭탄의 에너지원 l 원자핵 분열을 일으키
는 법 l 원자력은 왜 강력할까? l 파이 중간자는 완전 범죄의 피해자 l 조물주에
게 빚을 지고 있는 파이 중간자 l 사람이나 소립자나 얼굴만 보고 판단할 수 없다
l 유카와 이론은 이렇게 실증되었다 l 세계적 수준에 도달했던 전쟁 전 일본의 양
성자 가속기 l 하루 1억 엔이 드는 미국의 거대한 양성자 가속기

소립자는 과연 궁극의 물질인가
눈에 보이지 않는 소립자에도 발자국은 있다 l 소립자의 발자국을 보는 장치 l 내
가 과학자가 된 동기는 ‘윌슨 안개상자’ l 주전자 물이 갑자기 끓어오르는 현상은
우주선 때문이다 l 명탐정과 물리학자는 발자국을 통해 범인을 검거한다 l 자연
의 궁극 입자는 중성미자 입자인가

Part 7 | 진공 세계에서는 ‘무’에서 ‘유’가 생긴다

진공은 무無가 아니다
납 속도 빈틈투성이 l 물질이 존재하지 않는 진공은 없다 l 전기장과 자기장 모두
광자가 만들어낸다 l 만유인력은 소립자의 흐름이다

자연은 한없이 심오하다
전자는 순간적으로 사라지는 것 l 진공은 소립자로 가득 차 있다 l 현대 물리학
은 감각으로 파악할 수 없는 하나의 예술 l 만유인력도 차단할 수 있다 l 끊임없이
전파를 발사하는 라디오 성운 l 우주는 하나의 소립자에서 태어났다 l 반우주는
정말 존재할까? l 물리학을 진보하게 한 것은 지식보다 상상력

| 이 책의 복간을 앞두고 | 물리 낙오자에게도 특별했던 책_나가타 가즈히로

누구나 한 번쯤은 ‘우주는 유한할까, 무한할까?’라는 의문을 가진 적이 있을 것이다. 만일 유한하다면, 우주 공간이 아무리 광대할지라도 반드시 그 끝(한계)이 있을 것이다. 그리고 여기까지 생각이 미치면 ‘그 끝의 바깥쪽에는 무엇이 존재할까?’라는 의문을 아무래도 피할 수 없다.
--- 18쪽

현대 물리학의 위대함은 이뿐만이 아니다. 물리학자가 아닌 사람이라도 그것을 이해하면 초감각적 세계의 현상을 통해 자연의 기묘함, 흥미로움, 한없이 심오한 신비를 알게 된다. 그리고 그처럼 자연의 신비에 도전한 물리학적 연구 방법은 물리학자가 아닌 일반인들의 사고방식에도 큰 기여를 한다. 따라서 현대 물리학은 현대인의 고상한 호기심을 충족시키는 동시에 현대 생활의 살아 있는 교양으로서 유용하다고 할 수 있다.
--- 24쪽

인간은 자연을 알고 싶다는 본능적인 지식욕을 품고 있다. 인간의 그 지식욕을 제일 처음, 가장 강하게 자극한 것이 우주다. 선사 시대의 원시인이 산 위에 올라 밤하늘을 우러러보는 광경을 상상해보자. 그의 머릿속에는 어떤 생각이 떠올랐을까? 어쩌면 초인간적인 힘을 지닌 자에 대한 두려움이었는지도 모른다.
--- 28쪽

이처럼 우주는 계속 팽창하고 있는데, 이 팽창이 과거에서 현재에 이르기까지 동일한 속도로 지속되고 있다고 가정하면 우주의 탄생일을 계산할 수 있다. 영화 필름을 거꾸로 돌려 영사하면 시간을 역진하는 광경을 볼 수 있다. 이와 마찬가지로 우주의 시간을 거슬러 올라가는 광경을 상상해보자. 우주가 수축을 시작해 먼 곳의 성운일수록 빠른 속도로, 가까운 성운일수록 느린 속도로 모든 성운이 우주의 어느 한 점으로 모여드는 광경이 눈앞에 펼쳐질 것이다. 이 광경은 조금 전에 설명한, 부풀어 오른 풍선이 쪼그라들 때와 흡사하다.
--- 53쪽

우리 은하계는 비교적 젊은 성운으로, 나이는 어림잡아 50억 살이다. 그런데 오래된 성운의 나이는 250억 살 정도다. 따라서 이 관점에서 보면, 지금으로부터 250억 년 전에 이미 우주가 존재했다는 이야기가 된다. 이 계산대로라면 은하계는 우주의 탄생보다 200억 년 늦게 태어났다. 우주의 시간과 공간은 초감각적인 거대함을 지닌다. 아무리 정밀한 기계를 이용해 관측한다 해도 그 측정치에는 상당한 오차가 생긴다. 그 점을 고려하면, 관측 방법에 따라 우주의 나이가 다소 달라지는 점도 이해가 간다.
--- 54쪽

맑게 갠 밤하늘을 올려다볼 때. 우리는 무한히 심오한 우주 공간을 직접 접하고 있는 것이다. 그러나 우주의 한없는 깊이에 대항해 우리의 상상력 또한 무한의 힘을 지녔다. 나는 학창 시절에 상상의 즐거움을 배웠다. 무언가를 최상의 아이디어라고 생각했을 때, 거기서 멈추지 말고 계속 상상력을 펼쳐나가보자. 그러면 더 좋은 아이디어가 떠오른다. 그러나 생각만 한다면 상상은 멈추고 만다. 상상력을 한없이 발전시키는 방법은 상상력으로 얻은 아이디어를 실제로 실험하는 것이다.
--- 312쪽